黑土钾素形态对长期定位施肥的响应

杜 燕，王天野，吴阳生，高 强，高云航，刘淑霞

(1.吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118；2.吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，吉林 长春 130118；3.吉林农业大学 动物科学技术学院，吉林 长春 130118)

钾素是植物生长的三大元素之一，在植物生长中不可缺少，它可用于植物的光合作用、蛋白质合成、物质运输以及抗逆等方面[1-3]。根据大多数研究表明，植物生长所吸收的钾量与吸氮量相近，甚至一些喜钾作物的吸钾量超过了吸氮量[4-5]。近几十年来，施肥对于钾素形态影响的研究已经有很多，范闻捷等[6]的研究表明，在短期施用氯化钾处理中，钾肥用量与土壤中缓效钾、速效钾含量变化存在着显著的正相关；张爱君等[7]研究结果表明，钾肥施用直接影响土壤中速效钾的含量，无钾肥投入，土壤中速效钾含量降低，钾肥连续施用超过10 a，可保持土壤速效钾的含量不变；熊明彪等[8]研究表明，施用钾肥可以缓解土壤中速效钾和缓效钾含量的减少。在国外，不同学者主要侧重于土壤钾素平衡的研究，从FAO在亚洲4个国家的统计数据结果来看，作物从土壤中带走的钾素通过钾肥施用来归还的不足10%[9-10]。植物在其正常的生长发育中需要的钾素，主要来自土壤中含钾矿物的风化和施用的钾肥[11]，土壤中不同形态钾的含量及相互间的转化，受钾的输入影响，同时钾被植物的吸收利用也受影响[12-13]。生产实践中，进行土壤肥力及作物对养分利用研究的最佳手段是长期定位试验[14]。如何补充植物从土壤中带走的钾素，了解土壤中不同形态钾素的转化及受施肥的影响具有重要的意义。因此，本研究基于黑土长期定位施肥试验(1984-2016年)，对不同施肥处理下黑土不同形态钾素的含量进行研究，以揭示黑土钾素状况对长期定位施肥的响应，为土壤养分的保持，充分发挥土壤供钾潜能以及钾肥的合理施用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验地点位于吉林农业大学长期定位试验田(43° 47′42″N，123° 20′45″E)。试验始于1984年。试验地地势平坦，年平均降水量为549.6 mm，蒸发量可达1 390 mm，相对湿度平均可达65%，积温(≥10 ℃)、年平均气温、最高气温、最低气温分别为2 850，4.9，28.3，-22.4 ℃，每年的无霜期平均可达145 d。试验采用微区设计，每个小区用水泥槽隔开，微区面积为2 m2，槽内土层厚度×槽高为150 cm×170 cm，土壤类型为草甸黑土，供试作物为玉米。

1.2 试验设计

试验共设15个处理：不施肥对照(CK)、单施钾肥(K)、单施氮肥(N)、氮磷肥配施(NP)、氮磷钾配施(NPK)、单施低量玉米秸秆(S2.5)、钾肥与低量玉米秸秆配施(K+S2.5)、氮肥与低量玉米秸秆配施(N+S2.5)、氮磷肥与低量玉米秸秆配施(NP+S2.5)、氮磷钾肥与低量玉米秸秆配施(NPK+S2.5)、单施高量玉米秸秆(S5.0)、钾肥与高量玉米秸秆配施(K+S5.0)、氮肥与高量玉米秸秆配施(N+S5.0)、氮磷肥与高量玉米秸秆配施(NP+S5.0)、氮磷钾肥与高量玉米秸秆配施(NPK+S5.0)。田间试验采用完全随机区组设计，每个处理3次重复。施肥量N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。其中，氮肥的1/3、全部的磷肥、钾肥和秸秆作基肥施用，氮肥的2/3作追肥施用(表1)。基础土壤样品

表1 长期定位试验的肥料用量及施用方法Tab.1 The fertilization number and method of the long-term experiment

(0～20 cm)采自1984年，土壤pH值7.12，有机质含量为22.8 g/kg,全氮、全磷、全钾含量分别为1.39，0.53，23.1 g/kg,碱解氮含量为125 mg/kg，速效磷、速效钾含量分别为13.6，218 mg/kg，2016年土壤的基本理化性状见表2。

表2 2016年土壤的基本理化指标Tab.2 Basic properties of the tested soil in 2016

1.3 分析测试方法

1.3.1 土壤基本理化指标测定 采用常规的测定方法，参照农化分析方法，土壤pH值采用酸度计法(土水比1∶2.5)，含水量用烘干法(10 g鲜土，105 ℃烘干12 h),有机质采用硫酸重铬酸钾消煮-硫酸亚铁滴定法，全氮采用半微量凯氏定氮法，速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼兰比色法，全磷采用氢氧化钠熔融-钼兰比色法。

1.3.2 土壤中不同形态钾的测定 土壤全钾、缓效钾、速效钾和水溶性钾分别采用NaOH熔融、1 mol/L热HNO3消煮、1 mol/L NH4OAc和蒸馏水浸提制备待测液，待测液中的钾采用火焰光度计法测定。利用计算法获得土壤矿物钾、交换性钾和非交换性钾的含量。

计算公式：矿物钾=全钾-速效钾-缓效钾；交换性钾=速效钾-水溶性钾；非交换性钾=酸溶钾-速效钾。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对黑土全钾含量的影响

全钾是土壤中不同形态钾含量的总和，施肥对其含量有一定的影响。图1是不同施肥处理下土壤全钾含量的变化情况，由图1可知，长期施肥对草甸黑土的全钾有一定的影响，其含量增加效果部分处理显著。从第1组化肥单独施用的处理中可以看出，其全钾含量在钾肥配合施用的情况下增加效果显著，最高值(22.19 g/kg)出现在氮、磷、钾配合施用的处理；没有配施钾肥的处理(N、NP)，全钾含量低于CK处理。在第2组施加低量玉米秸秆的处理中可以看出，K+S2.5和NPK+S2.5其全钾含量相比CK处理增加效果显著，其含量分别为22.49，22.51 g/kg,只有低量玉米秸秆配施NP肥的处理相比CK处理全钾含量降低，但降低幅度不大。在第3组施加高量玉米秸秆与化肥配施的处理中其全钾含量增加效果显著，其中以S5.0增加效果最为显著，其全钾含量为23.1 g/kg，其次为N+S5.0和NPK+S5.0这2个处理全钾含量相比CK较为显著，其含量都是23.09 g/kg。总之，添加高量玉米秸秆配施化肥处理比低量玉米秸秆配施化肥的处理其全钾含量增幅较大，而低量玉米秸秆配施化肥的处理比单施化肥的处理其全钾含量增幅较大，不同用量玉米秸秆施用均使土壤中全钾含量有所增加，这说明，施用秸秆能促进土壤全钾含量增加。

2.2 长期施肥对黑土缓效钾含量的影响

由图2可知，长期定位施肥对黑土土壤缓效钾有一定的影响，尤其是K+S2.5、K+S5.0、NPK+S5.0这几个处理增加效果显著。单施化肥处理中，不施钾肥的2种处理即单施氮肥和NP肥配施处理的缓效钾含量显著低于CK，而NPK肥配施处理的缓效钾含量相比CK显著增加，其缓效钾含量为698.07 mg/kg。在低量玉米秸秆配施化肥的处理中，除低量玉米秸秆配施氮肥的处理缓效钾含量相比于CK处理稍有降低外，其他几个处理的缓效钾含量都有增加，其中以K+S2.5的处理其缓效钾含量增加最为显著，其缓效钾的含量约为CK处理的1.32倍。高量玉米秸秆配施化肥的处理与低量玉米秸秆配施化肥的结果相似，但是缓效钾含量的增加幅度却明显高于低量玉米秸秆配施化肥的处理，其中K+S5.0的处理缓效钾含量增加最为显著，其缓效钾含量大约为对照处理的1.63倍，其次是NPK+S5.0的处理，其缓效钾含量高达950.88 mg/kg，也是CK处理的1.45倍。此外，单施高量玉米秸秆和低量玉米秸秆都可以增加土壤的缓效钾，说明施加秸秆可以增加土壤的缓效钾含量。而2组处理中效果最好的是玉米秸秆配施钾肥，所以有机无机配施可以更好地增加土壤中缓效钾的含量。

不同小写字母表示差异显著。图2同。Different lowercase mean significant difference. The same as Fig.2.

图2 施肥对土壤缓效钾含量变化的影响Fig.2 The effect of fertilization on in soil slow-acting potassium content change

2.3 长期施肥对黑土矿物钾及速效钾等含量变化的影响

矿物钾也是土壤中相对稳定的一种钾，矿物钾占全钾含量的90%～98%。由表3可知，长期定位施肥对土壤矿物钾的效果不显著，单施化肥的处理中，添加钾肥的处理土壤中的矿物钾相比对照处理稍有增加，但增幅不大，不施加钾肥的处理土壤中的矿物钾含量降低。添加低量和高量玉米秸秆配施化肥的处理中除NP+S2.5和K+S5.0矿物钾含量比CK处理有所降低外，其余处理相比CK都有所增加，但增加效果不显著。

如表3所示，长期定位施肥对黑土速效钾有显著的影响。单施化肥的处理中单施钾肥的土壤速效钾显著增加，其速效钾含量为199.45 mg/kg，其中不施钾肥的处理其速效钾含量显著降低，这可能是作物生长需要钾素，但没有外源钾素的补充，所以速效钾含量显著降低。在施加低量玉米秸秆配施化肥的处理中，NPK+S2.5的处理速效钾含量增加最为显著，其含量为249.48 mg/kg，约为CK处理的1.57倍，其他几个低量有机肥的处理其速效钾含量也都明显增加。不同秸秆用量对土壤速效钾含量有着相似的影响，在高量玉米秸秆配施化肥的处理中，其K+S5.0处理速效钾含量增加效果最为显著，其含量约为279.65 mg/kg,约为CK处理的1.75倍，但是高量处理比低量处理相对于对照速效钾含量增幅明显。单施低量和高量有机肥的2个处理其速效钾含量都明显增加，说明施加有机肥可以增加土壤速效钾含量。

表3 施肥对黑土矿物钾、速效钾、水溶性钾、交换性钾含量的影响Tab.3 Effect of fertilization on mineral potassium，available potassium，water soluble potassium and exchangeable potassium in black soil

注：不同字母表示其在0.05水平上差异显著。表4同。

Note：Different letters indicate significantly at the 0.05 level. The same as Tab.4.

土壤水溶性钾含量也受不同施肥的影响(表3)。不同施肥处理土壤水溶性钾平均值为18.48 mg/kg。在单施化肥的处理中，添加钾肥的处理水溶性钾都有所增加，其中单施钾肥处理的水溶性钾含量增加最为显著，其含量最高为18.85 mg/kg。添加低量有机肥的处理其水溶性钾含量都有所增加，其中NPK+S2.5的处理相比CK增加最为显著，其数值大约是对照处理的1.53倍。施加高量有机肥的处理中K+S5.0处理增加最为显著，其含量是对照处理的1.88倍。所以施加高量有机肥比施加低量有机肥能更好地增加土壤中的水溶性钾。

长期定位施肥对交换性钾含量也有影响。在单施化肥的处理中，添加钾肥的处理其交换性钾含量都增大，单施钾肥的处理其交换性钾含量增加显著，其含量为180.60 mg/kg，而不施钾肥的处理则其交换性钾含量都有降低，这是因为外源钾没有补充被植物所消耗的钾。低量有机肥处理中，NPK+S2.5交换性钾含量增加显著，其含量约为对照处理的1.57 倍，其次为S2.5处理其交换性钾的含量为对照处理的1.38倍。在高量秸秆处理中，其K+S5.0的处理交换性钾含量增加显著，其交换性钾含量为对照处理的1.74倍。其次为NPK+S5.0的处理，其交换性钾的含量为对照处理的1.62倍。

2.4 长期施肥对黑土中不同形态钾的占全钾比例的影响

表4是不同形态钾占全钾含量的百分数。由表4可知，长期定位施肥条件下，不同形态钾占全钾的比例不同，黑土中矿物钾占全钾比例最高，水溶性钾所占比例最小。

不同施肥对不同形态钾占全钾的比例影响不同。土壤矿物钾占全钾的比例受施肥的影响较小。单施化肥处理中，NP处理矿物钾占全钾的比例最大为96.96%，而施用秸秆后土壤矿物钾占全钾的比例有一定的变化，且随着秸秆用量的增加，矿物钾占全钾的比例有所降低。与CK相比所占比例下降了2.3百分点。土壤缓效钾占土壤全钾的比例受施肥的影响较大，没有钾肥的处理中，缓效钾占全钾的比例有所下降，最小值出现在氮磷肥配施的处理中。在施用秸秆的处理中，对缓效钾占全钾的比例影响较大，不同处理均有利于提高缓效钾占全钾的比例，增加的幅度为1.56百分点，最高比例出现在钾肥与高量秸秆处理中，缓效钾占全钾的比例为4.80%。

施肥对土壤速效钾占全钾比例影响不同，其中不施钾和秸秆的处理使土壤中速效钾占全钾的比例明显降低，最小值出现在氮磷肥配施处理为0.53%；施用钾肥和秸秆有利于提高土壤速效钾占全钾的比例，其中钾肥与高量秸秆配施值最高，为1.25%。

土壤水溶性钾含量占全钾的比例受施肥的影响较小。化肥单施处理中，与CK相比，氮肥单独施用值没有变化，而其他处理变化也不大，也可能与水溶性钾在土壤中含量较低有关。施用秸秆有促进水溶性钾占全钾的比例提高的趋势。不同施肥处理中，土壤交换性钾占全钾比例变化趋势与土壤水溶性钾占全钾比例的变化趋势类似。

表4 施肥对不同形态钾占全钾的比例的影响Tab.4 The effect of fertilization on the rate of different kinds of potassium to total potassium in different fertilizations methods in black soil %

3 结论与讨论

本研究基于长期定位试验，研究了长期定位施肥下黑土不同形态钾素的变化。研究结果表明:有机肥配施化肥土壤中的钾素含量增加。张会民等[15]研究了长期定位施肥水稻土和紫色土钾素含量，结果表明，长期有机无机配施与单施化肥相比，土壤活性钾、非专性吸附钾和专性吸附钾的含量较高，而且使土壤中不同形态的钾素(全钾、缓效钾和速效钾)含量提高[16-17]。本研究结果与其结果相同，有机无机配施黑土中的土壤钾素增加幅度最大，其次为单施有机肥，化肥单施土壤中单施钾肥或添加钾肥配施的处理不同形态钾素含量略有增加。可能是由于有机肥料中含有一定量钾素，另一方面有机肥中含有的有机酸可以促进土壤中钾素的释放，土壤的供钾能力与有机质呈正相关关系[18]，所以有机肥与氮磷钾肥料配施能有效地促进土壤中钾素含量的增加。单施化肥不同形态的钾含量有所增加，但有机肥配施化肥的处理比单施化肥的效果好，而单施有机肥的处理比单施化肥的效果要好。

长期不施用钾肥土壤中钾素含量降低，通过施用钾肥可以增加土壤中钾素的含量。有研究表明，在我国河北、山西等地，钾素每年被作物从土壤中带走的量为165～189 kg/hm2，而通过钾肥的施用进入土壤中的量仅有97～119 kg/hm2,土壤钾素一直处于亏损状态[19]。朱向东[20]针对冬小麦-夏玉米轮作体系土壤钾素的研究结果表明，土壤中的钾素在该体系中平均每年有31～217 kg/hm2亏缺。本研究结果也表明，钾肥的添加对植物的生长至关重要。在单施化肥的处理中，不施钾肥的处理中全钾、矿物钾、缓效钾、速效钾、水溶性钾和交换性钾含量都有所降低，在添加有机肥料的处理中，其不施钾肥的处理钾素含量虽有增加，但增幅不大。这可能是在作物生长过程中需要钾素，但是却没有外源钾素的及时补充，所以导致土壤中各种钾素含量都有所降低。我国作为农业大国，在提升产量的同时也需要关注作物的质量，钾素作为植物必需的三大元素之一，对作物产量和质量的提升都有帮助，所以，在作物生长阶段，需要及时适量的补充钾肥。